简诉半导体激光器的构成及各部分作用

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

半导体激光器的核心发光部分为激光二极管，是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质（掺或不掺散色剂），起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到半导体激光器的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。

核心零件激光二极管：

而普通的激光笔，一般也就相当于是一种简易的半导体激光器而已：

参考结构：

半导体激光器最基本的结构就是：准直透镜组、激光二极管、散热外壳（激光二极管是半导体激光里发热最厉害的部分，而且对温度敏感，娇气，所以散热很重要）、恒流驱动电路、电源（包括电池、开关电源）；而工业上用的，为了能长时间工作，通常都有温控和散热冷却（风冷、水冷、TEC半导体制冷）。

工业上的一般是这种：

激光（Laser）,它指通过受激辐射放大和必要的反馈,产生准直、单色、相干的光束的过程及仪器.而基本上,产生激光需要"共振腔"(resonator)、"增益介质"(gain medium)以及"激发来源"(pumping source)这三个要素.

原理

原子的运动状态可以分为不同的能级,当原子从高能级向低能级跃迁时,会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）.同样的,当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话,会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后,部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）.这些运动不是孤立的,而往往是同时进行的.当我们创造一种条件,譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场,受激辐射得到放大从而比受激吸收要多,那么总体而言,就会有光子射出,从而产生激光.

分类

根据产生激光的媒质,可以把激光器分为液体激光器、气体激光器和固体激光器等.而现在最常见的半导体激光器算是固体激光器的一种.

构成

激光器大多由激励系统、激光物质和光学谐振腔三部分组成.激励系统就是产生光能、电能或化学能的装置.目前使用的激励手段,主要有光照、通电或化学反应等.激光物质是能够产生激光的物质,如红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等.光学谐振控的作用,是用来加强输出激光的亮度,调节和选定激光的波长和方向等.

应用

激光应用很广泛,主要有 fiber communication,激光测距、激光切割、激光武器、激光唱片等等

历史

1958年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光.根据这一现象,他们提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时,都会产生这种不发散的强光--激光.他们为此发现了重要论文.

肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功.1960年5月15日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家.

1960年7月7日,梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来刺激在红宝石色水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度.

前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明了半导体激光器.半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成.其特点是：尺寸小,耦合效率高,响应速度快,波长和尺寸与光纤尺寸适配,可直接调制,相干性好.

光子：原始称呼是光量子（light quantum）,电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为γ.其静止质量为零,不带电荷,其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,E=hv,在真空中以光速c运行,其自旋为1,是玻色子

电子：静止质量为9.109×10^-31kg、电荷为-1.602×10^-19C的稳定基本粒子.在一般情况下是指带负电荷的负电子.其反粒子是带正电荷的正电子.

分子：化学上,分子是物质组成的一种基本单位名称.

离子：带有电荷的原子或分子,或组合在一起的原子或分子团.带正电荷的离子称“正离子”,带负电荷的离子称“负离子”.

原子：组成元素的最小单元.由原子核和围绕原子核运动的电子组成.

粒子：粒子（particle）指能够以自由状态存在的最小物质组分.最早发现的粒子是电子和质子,1932年又发现中子,确认原子由电子、质子和中子组成,它们比起原子来是更为基本的物质组分,于是称之为基本粒子.以后这类粒子发现越来越多,累计已超过几百种,且还有不断增多的趋势；此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构,有些粒子实验显示具有明显的内部结构.看来这些粒子并不属于同一层次,因此基本粒子一词已成为历史,如今统称之为粒子.

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